含特异材料的光子晶体光学传输特性研究

论文摘要

介电常数和磁导率同时或只有一个为负数的新型人工材料是一种具有特殊电磁性质的特异材料,已经在微波段乃至近红外通过人工制备实现。人们通过将特异材料引入到光子晶体中,发现了新型的光子带隙。由于这些光子带隙具有与传统的布拉格带隙截然不同的性质,并具有潜在的应用前景,因此含有特异材料的光子晶体已成为了当前的一个研究热点。本文通过数值模拟和理论分析,研究了含特异材料的光子晶体的光学输运特性。主要的研究内容及其研究成果有以下几个方面:(1)单负材料光子晶体异质结构的频率响应。用带隙不同的两种周期结构构成一维光子晶体异质结构。研究结果表明:当异质结构具有零有效折射率时,在异质结构每一个分界面上都会出现界面模。各界面模的耦合导致光以隧穿的方式传播。在零有效折射率的情况下隧穿模不受入射角、电磁波偏振态、结构周期数等因素影响,并且具有零位相延迟,这一特性可用来设计零位相延迟全向多通道虑波器件;随入射角的增加和单元结构中周期数的增加,位于零有效位相带隙中心的隧穿模频率保持不变,而位于两侧的隧穿模频率向中心移动。(2)基于单负材料光子晶体异质结构的多通道滤波器。研究结果表明:零有效位相带隙内出现的共振模的数目与异质结数M相等,可作为M通道滤波器。当介质存在耗散时,我们得到:结构的异质结数M越大,共振模衰减的幅度越大:耗散因子越大,共振模衰减的幅度也越大。多通道滤波器的品质因子Q值与结构的异质结数M成线性关系,随耗散系数γ的增大而减小。这些为多通道滤波器的品质因子的调节提供了一种可行的方法。(3)负介电常数材料和负磁导率材料交替生长形成的一维光子晶体中的局域共振模。研究结果表明:这种结构的光子晶体具有2个共振隧穿模,并且2个共振隧穿模间距能够通过改变两种单负材料厚度比和缺陷层厚度进行调节。共振隧穿模式场强随着两种单负材料的厚度比的增大而指数增大。随着两种单负材料的厚度比的增大,隧穿模场的局域性也变得更加强烈,电场逐渐向与缺陷层两侧毗连的两个界面集中,两个共振隧穿模的半高宽(FWHM)变窄。此外,这种可调的两个共振隧穿模几乎不随入射角和厚度变化而改变。根据这些特性,我们能够更加实际地利用单负材料制作可调的全向双通道高品质因数滤波器。(4)负磁导率材料和正折射率材料构成的一维周期结构的光子晶体共振隧穿特性。研究结果表明:TE波的传输特性主要取决于ε,TM波的传输特性主要取决于μ.这种由负磁导率材料和正折射率材料构成的一维周期结构的光子晶体在单负带隙内存在一透射带,透射带在TE偏振下对入射角不敏感,而在TM偏振下对入射角敏感。透射带的中心位置取决于正折射率材料层的厚度,而透射带的宽度取决于负磁导率材料层的厚度。透射带的位置和宽度能够通过正折射率材料层和负磁导率材料层的厚度进行独立调节。隧穿模强烈局域在正折射率材料层内,场强幅度随着负磁导率材料层的厚度的增加成指数增大。我们从理论上推导得到了这种结构的光子晶体发生共振隧穿的条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 特异材料概述
• 1.3 特异材料的制作与负折射现象的实验验证
• 1.4 特异材料的应用
• 1.5 双负材料与单负材料
• 1.6 本论文的主要工作
• 第2章 一维光子晶体中电磁场特性分析的传输矩阵法
• 2.1 引言
• 2.2 透射率和反射率的一般表达式
• 2.3 一维光子晶体的色散关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 单负材料光子晶体异质结构的频率响应
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型
• 3.3 单负材料光子晶体异质结构的透射特性与场分布
• 3.4 零有效折射率共振隧穿模不随入射角、结构周期数和电磁波偏振态等变化的物理原因
• 3.5 单负材料光子晶体异质结构全方向共振模
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于单负材料光子晶体异质结构的多通道滤波器
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型
• 4.3 基于光子晶体异质结构的可调的多通道滤波器
• 4.3.1 异质结构共振模的产生机理
• 4.3.2 光子晶体异质结构多通道滤波器的通道实现
• 4.3.3 全向多通道滤波器
• 4.3.4 材料耗散对多通道滤波器的影响
• 4.3.5 多通道滤波器的品质因子
• 4.4 本章小结
• 第5章 单负材料光子晶体中的缺陷模
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型
• 5.3 数值计算与分析
• 5.4 材料耗散对透射谱与场分布的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 含负磁导率材料的一维光子晶体共振隧穿特性
• 6.1 引言
• 6.2 理论模型与计算方法
• 6.3 能带结构
• 6.4 透射特性
• 6.5 共振隧穿模局域场强的分布
• 6.6 材料耗散对共振隧穿模的影响
• 6.7 共振隧穿条件及共振模移动的物理机制
• 6.8 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与研究成果